(57)【要約】【課題】折り畳み機構などを必要とせず、また撮像素子単体とほぼ等しいレベルでの薄型化を同時に達成する２次元画像変換素子を提供すること。【解決手段】平面視ハニカム形状を有する単位レンズが隙間無く敷き詰められたマイクロレンズアレイ１と、前記マイクロレンズアレイ１の光軸上に相対して配設された開口部２ａを持つ遮光層２と、正方格子状に配列された複数個の光電変換素子３を有する平面撮像素子４と、を具備する２次元画像変換素子１０であって、前記遮光層２と前記平面撮像素子４との間隙に、透光性を有する物質が充填材５として充填されていることを特徴とする。【選択図】  図１
2005019858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面視ハニカム形状を有する単位レンズが隙間無く敷き詰められたレンズアレイと、
前記レンズアレイの光軸上に相対して配設された開口部を持つ遮光層と、
正方格子状に配列された複数個の光電変換素子を有する平面撮像素子と、を具備する２次元画像変換素子であって、
前記遮光層と前記平面撮像素子との間隙に、透光性を有する物質が充填材として充填されていることを特徴とする２次元画像変換素子。
【請求項２】
前記レンズアレイと前記遮光層とが一体に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の２次元画像変換素子。
【請求項３】
前記レンズアレイ、前記遮光層、および前記充填材の屈折率による集光の変化に応じて、前記単位レンズの近軸焦点の焦点位置がそれぞれ前記平面撮像素子上にくるよう、予め単位レンズの形状が調整されているとともに、前記レンズアレイの球面収差量が撮像素子面上に配列された光電変換素子のサイズ以下とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の２次元画像変換素子。
【請求項４】
平面視ハニカム形状を有する単位レンズが隙間無く敷き詰められた第１のレンズアレイと、
平面視ハニカム形状を有する単位レンズが隙間無く敷き詰められ、かつ前記第１のレンズアレイの光軸に自身の光軸が一致するように構成された第２のレンズアレイと、
正方格子状に配列された複数個の光電変換素子を有する平面撮像素子と、を具備する２次元画像変換素子であって、
前記第２のレンズアレイと前記平面撮像素子との間隙に、透光性を有する物質が充填材として充填されていることを特徴とする２次元画像変換素子。
【請求項５】
前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとが一体に構成されていることを特徴とする請求項４に記載の２次元画像変換素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオカメラやデジタルカメラなどの２次元画像変換素子、特にマイクロレンズを用いたマイクロレンズ式撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在のＣＣＤなどに代表される従来型の２次元画像変換素子は、その面上に於ける光強度分布を電気信号に変換し、２次元素子として取り出す光−電気変換素子であるが、画像を示す光強度分布を得るための結像光学系が必要不可欠である。
【０００３】
従来のデジタル撮像光学系について簡単に説明する。従来型のデジタル撮像素子は、ＣＣＤやＣ−ＭＯＳといった、いわば感光素子アレイの形態をとっており、素子そのものは半導体プロセスで製造されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０５−１５２５５７号公報
【０００５】
このようなデジタル撮像素子そのものはシリコンウエハーと同じ程度の厚みでしかなく、非常に薄い物であり、撮像光学系は主としてレンズ系によって構成されており、その厚さはレンズの焦点距離と同じ程度になるのが一般的である。
図２に従来型のデジタル撮像光学系として、トリプレット型を用いた場合の一例を示す。なお、図中の符号１１は、凸レンズ／凹レンズ／凸レンズで構成されたトリプレットレンズ、符号１４は、平面撮像素子である。
ある程度の画角を得るためには、撮像素子の対角線長と焦点距離をほぼ同等にすれば良く、この場合、やや広角のレンズ構成となる。コンパクトカメラなどではこの様な構成を取ることが多い。
現時点では対角線長が１／２インチから１／３インチ程度の撮像素子が使われており、従って光学系による厚さも同程度となる。
【０００６】
この結像光学系は写真用レンズ等と基本構成は同じであるが、光軸方向にレンズを揃えて配置し、撮像素子の端部まで光線を届かせる必要があるので、撮像素子の大きさに依って光軸方向への大きさが物理的に決まってしまい、その小型化、特に撮像素子の面積に対する薄さに制約があり、撮像光学系をも含めた形態で容易に薄い構成を実現することが困難である。
また、光学系のレンズ部分を折り畳み式や沈胴式として薄型化を図る方法は以前より行われているが、撮像時にはこれらを展開する機械的な機構が必要となり、精度やコストの面はもとより、使い勝手に於いても撮影可能になるまでのタイムラグが生じるため好ましくない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
折り畳み機構などを必要とせず、また撮像素子単体とほぼ等しいレベルでの薄型化を同時に達成することが主たる課題である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、前記課題について研究開発を行った結果、下記に示す手段を用いることにより、前出の問題を解決出来ることを見いだした。
請求項１に係る発明は、平面視ハニカム形状を有する単位レンズが隙間無く敷き詰められたレンズアレイと、前記レンズアレイの光軸上に相対して配設された開口部を持つ遮光層と、正方格子状に配列された複数個の光電変換素子を有する平面撮像素子と、を具備する２次元画像変換素子であって、前記遮光層と前記平面撮像素子との間隙に、透光性を有する物質が充填材として充填されていることを特徴とする、２次元画像変換素子を提供する。
【０００９】
レンズアレイと平面撮像素子との間に遮光層を有することにより、画像のクロストークやレンズアレイの収差に起因する画像のボケを防ぐことが可能となる。
また、不要な反射の発生も防止される。
平面視ハニカム形状とすることで、その周期構造に起因する干渉が減り、平面撮像素子の周期構造との間で発生するモアレが低減される。
さらに、遮光層と平面撮像素子との間隙に充填材を有することにより、その屈折作用による画質の向上も期待される。特に、固体状の充填材とすることで、機械的強度も向上し、２次元画像変換素子の耐久性の向上にもつながる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記レンズアレイと前記遮光層とが一体に構成されていることを特徴とする、２次元画像変換素子を提供する。
【００１１】
レンズアレイと遮光層とが一体に構成されていることにより、レンズアレイを構成する個々の単位レンズと、その焦点近傍に、単位レンズに応じた開口を設けられた遮光層との相対的な位置関係を固定でき、製造の簡便さとそれら構成要素（部品）の耐久性を向上させることが可能となる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、前記レンズアレイ、前記遮光層、および前記充填材の屈折率による集光の変化に応じて、前記単位レンズの近軸焦点の焦点位置がそれぞれ前記平面撮像素子上にくるよう、予め単位レンズの形状が調整されているとともに、前記レンズアレイの球面収差量が撮像素子面上に配列された光電変換素子のサイズ以下とされていることを特徴とする、２次元画像変換素子を提供する。
【００１３】
単位レンズの形状を調整することにより、画質を向上させることも可能であると共に、レンズアレイの球面収差量を、撮像素子面上に配列された光電変換素子のサイズ以下とすることにより、単位レンズの持つ収差による影響を受けずに、良好な画像を得ることができる。
ここで「サイズ」とは、略レンズ径のことをいう。
【００１４】
請求項４に係る発明は、平面視ハニカム形状を有する単位レンズが隙間無く敷き詰められた第１のレンズアレイと、平面視ハニカム形状を有する単位レンズが隙間無く敷き詰められ、かつ前記第１のレンズアレイの光軸に自身の光軸が一致するように構成された第２のレンズアレイと、正方格子状に配列された複数個の光電変換素子を有する平面撮像素子と、を具備する２次元画像変換素子であって、前記第２のレンズアレイと前記平面撮像素子との間隙に、透光性を有する物質が充填材として充填されていることを特徴とする、２次元画像変換素子を提供する。
【００１５】
第２のレンズアレイを有することにより、単位レンズの収差補正が容易となり、更なる画質の向上を図ることが可能となる。
【００１６】
請求項５に係る発明は、前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとが一体に構成されていることを特徴とする、２次元画像変換素子を提供する。
【００１７】
第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとを一体化することにより、正しい結像条件を容易に維持することが可能となると共に、機械的強度の向上に伴い、構成要素（部品）の耐久性を向上させることが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明による２次元画像変換素子を、図１を用いて詳細に説明する。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視断面図である。
本発明による２次元画像変換素子１０は、マイクロレンズアレイ（レンズアレイ）１と、遮光層２と、平面撮像素子４と、充填材５とを主たる要素として構成されたものである。
【００１９】
マイクロレンズアレイ１は、複数の平面視ハニカム形状を有する単位レンズが図１（ａ）に示すように隙間無く敷き詰められたものである。
遮光層２は、マイクロレンズアレイ１の光軸Ｌ上に相対して配設された開口部２ａを有するものである。
平面撮像素子４は、正方格子状に配置された複数個の光電変換素子３を、その一面上に有するものである。
充填材５は、遮光層２と平面撮像素子４との間の間隙（空間）に充填されたものであり、透光性を有する物質からなるものである。
【００２０】
本発明による２次元画像変換素子１０によれば、平面撮像素子４の面上に焦点を持つ、複数個の単位レンズがアレイ状に配置されたマイクロレンズアレイ１が、適当な画素領域をカバーするように配置され、かつＣＣＤなど撮像面全域を覆うように構成されている。
この際に、マイクロレンズアレイ１と平面撮像素子４との間に絞りとなる遮光層２を挿入することにより、画像のクロストーク（隣の画像と混ざり合う現象）や、マイクロレンズアレイ１の収差による画像のボケを防ぐことが出来る。
この構成によれば、一つの平面撮像素子４上に多数の小さな画像が結像されることとなるが、その画像は、コンピュータなどで再構成し、一枚の画像として取り出すことが出来る。
【００２１】
また、平面撮像素子（ＣＣＤ）４とマイクロレンズアレイ１との間の空間に、透光性の充填材５、たとえばアクリルなどの有機材料や、ガラス、インデックスマッチングオイル等を充填することで、余計な反射（レンズ界面における、屈折率の差により生じる反射）を防ぐことが出来、固体の物質とすることで、反射量そのものが減る（屈折率の差が少なくなる）とともに機械的剛性が向上し、製品の信頼性を向上させることが出来る。
もちろん、空気や真空とすることでも良く、この場合は工数の削減によるコストダウンなどを図るのに都合がよい。
【００２２】
さらに、平面撮像素子４とマイクロレンズアレイ１を組み合わせる場合、そのマイクロレンズアレイ１の単位レンズの平面視形状をハニカム形状とすることで、周期構造による干渉が減るため、その平面撮像素子４とのモアレの発生を減らすことが可能となる。
さらにまた、これらのマイクロレンズ１、あるいは充填材５の素材は、その特性から光透過性を有する材料であれば特に限定する物ではないが、その生産性、耐久性等を考慮するとプラスチック系の素材を用いることが望ましい。
【００２３】
プラスチックとしては、たとえばポリメタクリル酸メチルなどのアクリル系樹脂、ポリカーボネイト、アクリルースチレン共重合体、スチレン系樹脂、ポリ塩化ビニルなどを例示することが出来る。
また、ファインピッチな微細な加工を行うことが出来るため、レンズ層の材料としては紫外線硬化型樹脂や電子線硬化型樹脂などの放射線硬化型樹脂を用いると好ましい。
放射線硬化型樹脂としては、たとえばウレタン（メタ）アクリレートおよび／またはエポキシ（メタ）アクリレートオリゴマーに反応希釈剤、光重合開始剤、光増感剤などが添加された組成物などを用いることができる。ウレタン（メタ）オリゴマーとしては、特に限定する物ではないが、たとえばエチレングリコール、１，４ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、ポリカプロラクトンポリオール、ポリエステルポリオール、ポリカーボネートジオール、ポリテトラメチレングリコールなどのポリオール類と、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、キシレンイソシアネートなどのポリイソシアネート類とを反応させて得ることが出来る。
【００２４】
エポキシ（メタ）アクリレートオリゴマーとしては、特に限定する物ではないが、たとえばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、フェノールノボラジック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型プロビレンオキサイド付加物の末端グリシジルエーテル、フルオレンエポキシ樹脂などのエポキシ樹脂類と、（メタ）アクリル酸とを反応させて得ることができる。
ここで挙げた例はあくまで一例であり、これらの形状を限定する物ではない。
【００２５】
また、本実施形態においてマイクロレンズアレイ１と遮光層２とが、たとえばシート状あるいはフィルム状に、一体となるように構成されていればさらに好ましい。
【００２６】
さらに、マイクロレンズアレイ１、遮光層２、および充填材５の屈折率による集光の変化に応じて、単位レンズの近軸焦点の焦点位置がそれぞれ平面撮像素子４上にくるよう、予め単位レンズの形状が調整されているとともに、マイクロレンズアレイ１の球面収差量が撮像素子面上に配列された光電変換素子の球面収差量以下とされていればさらに好ましい。
【００２７】
なお、本発明は上述したような実施形態のものに限定されるものではなく、平面視ハニカム形状を有する単位レンズが隙間無く敷き詰められた第１のレンズアレイと、平面視ハニカム形状を有する単位レンズが隙間無く敷き詰められ、かつ前記第１のレンズアレイの光軸に自身の光軸が一致するように構成された第２のレンズアレイと、正方格子状に配列された複数個の光電変換素子を有する平面撮像素子と、を具備し、前記第２のレンズアレイと前記平面撮像素子との間隙に、透光性を有する物質が充填材として充填されたものであってもよい。
【００２８】
またこの際、前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとが一体に構成されていればさらに好ましい。
【００２９】
【発明の効果】
本発明による２次元画像変換素子を用いることで、これまでにない薄い構成で充分な画像を得る撮像素子を得ることが出来、可動部分が少なく機械的な構造を単純化できるので、非常に信頼性の高い素子を実現することが出来る。
また、アレイ構造に起因するモアレの発生も、マイクロレンズアレイの単位レンズの平面視形状をハニカム形状とすることで、抑えることが出来る。
【００３０】
上記の様な効果により、たとえば、ＩＣカードにデジタルカメラを搭載するなどの新しい用途も開け、結果として安価かつ高性能な薄型デジタル撮像素子の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による２次元画像変換素子の一実施形態を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視断面図である。
【図２】従来型のデジタル撮像光学系の概念図である。
【符号の説明】
１    マイクロレンズアレイ
２    遮光層
２ａ  開口部
３    光電変換素子
４    平面撮像素子
５    充填材
１０    ２次元画像変換素子
【図１】
2005019858.tif 000003
【図２】
2005019858.tif 000004